JP6213893B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物型燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas.
従来から、燃料電池の一種として、反応ガスにより作動する複数の燃料電池セルを備えた固体電解質形燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)がある。このSOFCは、通常、発電室内に配設された複数の燃料電池セルを密集して備え、当該発電室内に供給された酸化剤ガスとしての空気を当該燃料電池セルのカソード電極に供給し、当該燃料電池セルのアノード電極には、ガスマニホールドを介して供給される燃料ガスとしての水素ガスを供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。 Conventionally, as a type of fuel cell, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) provided with a plurality of fuel cells operated by a reaction gas. This SOFC is normally provided with a plurality of fuel cells arranged in a power generation chamber densely, supplying air as an oxidant gas supplied into the power generation chamber to the cathode electrode of the fuel cell, The anode electrode of the fuel battery cell is configured to cause a power generation reaction by supplying hydrogen gas as a fuel gas supplied via a gas manifold.
燃料電池の耐久性を高めるためには発電室内の燃料電池セル集合体を均一な温度とすることが理想だが、燃料電池セルは発電や内部改質により温度分布を生じやすい部品であり、一方燃料電池セル集合体はモジュールの寸法制約から可能な限りセルを密集させることが求められるため、燃料電池セル集合体の中央が高温になりやすく、中央部以外の燃料電池セルの中でも特に発電室の内壁に近い燃料電池セルは、内壁から熱が奪われるなどして比較的低温になりやすい傾向がある。そのため、より一層の均熱化が求められている。 In order to increase the durability of the fuel cell, it is ideal to keep the fuel cell assembly in the power generation chamber at a uniform temperature, but the fuel cell is a component that tends to generate a temperature distribution due to power generation or internal reformation, while the fuel cell Since battery cell assemblies are required to be as dense as possible due to module size restrictions, the center of the fuel cell assembly tends to be hot, and the inner wall of the power generation chamber, especially among the fuel cells other than the central part The fuel cell close to the temperature tends to be relatively low because heat is taken away from the inner wall. Therefore, further soaking is required.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物型の燃料電池セルを密集させて構成した燃料電池セル集合体を組み込んだ燃料電池装置において、燃料電池セル集合体の温度ムラを軽減することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell device incorporating a fuel cell assembly formed by closely consolidating solid oxide fuel cells. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell device that can reduce temperature unevenness of an assembly.
上記課題を解決するために本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置は、酸化剤ガスと燃料ガスとを利用して発電する固体酸化物型の燃料電池装置であって、行列配置した複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セル各々に燃料ガスを供給するよう燃料電池セルを立設したガスマニホールドと、を内包するケーシングを備え、ガスマニホールドの内部には、燃料電池セルの行列のうち、長尺方向に延在し、ガスマニホールドの外部から導入した燃料ガスをガスマニホールド内部に噴出する燃料ガス供給管と、ガスマニホールドの内部空間を長尺方向に区画するよう、燃料ガス供給管から燃料ガスが噴出する方向に沿って配置された、仕切板が配設されており、仕切板は伝熱性を有し、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分から奪う熱量が短手方向中央部分以外から奪う熱量よりも多くなるよう設けられた奪熱部と、奪熱部から奪った熱を、ガスマニホールド内部に流れる燃料ガスとの熱交換及び、ガスマニホールドの短手方向中央部分以外への伝熱に利用して逃がす熱付与部と、を有する。 In order to solve the above problems, a solid oxide fuel cell device according to the present invention is a solid oxide fuel cell device that generates power using an oxidant gas and a fuel gas, and includes a plurality of matrix-arranged fuel cell devices. A fuel cell and a gas manifold in which the fuel cell is erected so as to supply fuel gas to each of the plurality of fuel cells are provided. The gas manifold includes a matrix of fuel cells. A fuel gas supply pipe that extends in the longitudinal direction and jets fuel gas introduced from the outside of the gas manifold into the gas manifold; and a fuel gas supply pipe that divides the internal space of the gas manifold in the longitudinal direction. A partition plate disposed along the direction in which the fuel gas is ejected is disposed, the partition plate has heat conductivity, and among the gas manifold portions where the fuel cells are arranged, The heat sink that is provided so that the amount of heat taken away from the center part in the short direction of the matrix of the battery cells is greater than the amount of heat taken from other than the center part in the short direction, and the heat taken from the heat sink part inside the gas manifold And a heat application section for releasing heat by utilizing heat exchange with the flowing fuel gas and heat transfer to a portion other than the central portion in the short direction of the gas manifold.
本発明では、ガスマニホールドの内部空間を区画する仕切板は伝熱性を有し、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分から奪う熱量が短手方向中央部分以外から奪う熱量よりも多くなるよう設けられた奪熱部と、奪熱部から奪った熱をガスマニホールド内部に流れる燃料ガスとの熱交換及び、ガスマニホールドの短手方向中央部分以外への伝熱に利用して逃がす熱付与部と、を有するため、奪熱部で奪った熱を仕切板全体に伝熱して、熱付与部を介して仕切板の表面に沿って流れる燃料ガスに与えることで、燃料電池セルを配列したガスマニホールドの天面の中央部分の温度を低減する。仕切板は燃料ガス供給管から燃料ガスが噴出する方向に沿って配置されており、燃料ガスが仕切板の表面に沿って流れるため、仕切板に沿わずに衝突するなどする場合に比べて仕切板に対する燃料ガスの流速が速まるので、より熱交換効率が高まり、中央部分の温度低減を促進している。また、仕切板全体に伝熱した熱は、ガスマニホールドの短手方向中央部分以外に伝熱させることによっても逃がす。これにより、配列された複数の燃料電池セルの中央部分の温度を低減することができるため、燃料電池モジュール内部の温度ムラを軽減することが可能となる。 In the present invention, the partition plate that divides the internal space of the gas manifold has heat conductivity, and the amount of heat taken away from the central portion in the short direction of the matrix of the fuel cells among the portions of the gas manifold where the fuel cells are arranged. Heat exchange between the heat sink provided to increase the amount of heat taken from other than the central portion in the short direction and the fuel gas flowing in the gas manifold from the heat deprived from the heat sink, and the center in the short direction of the gas manifold And a heat imparting part that is used for heat transfer to a part other than the part to dissipate it, so that the heat deprived by the heat removal part is transferred to the entire partition plate and flows along the surface of the partition plate through the heat imparting part. By giving to fuel gas, the temperature of the center part of the top | upper surface of the gas manifold which arranged the fuel cell is reduced. The partition plate is arranged along the direction in which the fuel gas is ejected from the fuel gas supply pipe. Since the fuel gas flows along the surface of the partition plate, the partition plate is separated from the case where the partition does not collide with the partition plate. Since the flow rate of the fuel gas with respect to the plate is increased, the heat exchange efficiency is further increased and the temperature reduction in the central portion is promoted. Further, the heat transferred to the entire partition plate can be released by transferring heat to other than the central portion of the gas manifold in the short direction. Thereby, since the temperature of the center part of the arranged some fuel cell can be reduced, it becomes possible to reduce the temperature nonuniformity inside a fuel cell module.
また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、仕切板は凸形状であり、凸形状の突出した部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分に当接し、凸形状の突出していない部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位から離間していることで奪熱部を構成していることも好ましい。 Further, in the solid oxide fuel cell device according to the present invention, the partition plate has a convex shape, and the protruding portion of the convex shape is a matrix of the fuel cell among the gas manifold portions where the fuel cells are arranged. It is also preferable that the portion not in contact with the central portion in the short-side direction and projecting is separated from the portion of the gas manifold in which the fuel cells are arranged to constitute the heat removal portion.
この好ましい態様では、凸形状の突出した部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分に当接し、凸形状の突出していない部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位から離間しているため、配列された複数の燃料電池セルの中央部分からのみ確実に熱を奪うことができる。さらに、奪熱部を仕切板の形状によって構成しており、簡素な構成で配列された複数の燃料電池セルの中央部分の温度を低減することができ、燃料電池モジュール内部の温度ムラを軽減することが可能となる。 In this preferred embodiment, the protruding portion of the convex shape is in contact with the central portion in the short direction of the matrix of the fuel cells in the gas manifold portion where the fuel cells are arranged, and the protruding portion of the convex shape is not. Since the fuel cells are separated from the gas manifold portion where the fuel cells are arranged, it is possible to reliably remove heat only from the central portion of the plurality of arranged fuel cells. Furthermore, the heat sink is configured by the shape of the partition plate, the temperature of the central portion of the plurality of fuel cells arranged in a simple configuration can be reduced, and temperature unevenness inside the fuel cell module is reduced. It becomes possible.
また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、奪熱部は凸形状の突出した部分に燃料ガスが導通する導通孔を有し、燃料ガス供給管はガスマニホールドの底面側にガスを噴出するよう配設することも好ましい。 Further, in the solid oxide fuel cell device according to the present invention, the heat sink has a conduction hole through which the fuel gas conducts in the protruding portion of the convex shape, and the fuel gas supply pipe ejects gas to the bottom surface side of the gas manifold. It is also preferable to arrange so as to.
この好ましい態様では、奪熱部の凸形状の突出した部分に燃料ガスが導通する導通孔を設けたことと、燃料ガス供給管はガスマニホールドの底面側にガスを噴出するよう配設したことと、により、底面側に放出された燃料ガスが側面を伝い天面に沿い、導通孔に流れ込む。これによって、仕切板に対する燃料ガスの流速が増すので、熱交換性が高まり、配列された複数の燃料電池セルの中央部分からより一層熱を奪うことができるようになり、燃料電池モジュール内部の温度ムラを軽減することが可能となる。 In this preferred embodiment, a conduction hole through which the fuel gas is conducted is provided in the projecting protruding portion of the heat removal portion, and the fuel gas supply pipe is disposed so as to eject gas to the bottom surface side of the gas manifold. As a result, the fuel gas released to the bottom surface flows along the top surface and flows into the conduction hole. As a result, the flow rate of the fuel gas with respect to the partition plate is increased, so that heat exchange is improved, and heat can be further removed from the central portion of the plurality of arranged fuel cells, and the temperature inside the fuel cell module is increased. Unevenness can be reduced.
また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、仕切板はさらに、仕切板の凸形状の突出していない部分の両端上部に、奪熱部を介して奪った熱を燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央以外の周囲に還元するよう燃料電池セルの行列の短手方向中央部分以外の周囲に対応するガスマニホールドの部位と当接する還元部を有することも好ましい。 Further, in the solid oxide fuel cell device according to the present invention, the partition plate further includes fuel cell cells arranged on the upper ends of both ends of the protruding portion of the partition plate that are not projecting through the heat sink. Reduction that abuts the gas manifold part corresponding to the periphery other than the central part in the short direction of the matrix of the fuel cells so that the gas manifold part is reduced to the periphery other than the center in the short direction of the matrix of the fuel cells. It is also preferable to have a part.
この好ましい態様では、中央部分から奪った熱を、比較的低温な中央部分以外の周囲に還元することによって、より一層温度ムラを軽減することができる。 In this preferred embodiment, the temperature unevenness can be further reduced by reducing the heat taken away from the central portion to the periphery other than the relatively low-temperature central portion.
本発明によれば、セルを密集させて構成した燃料電池セル集合体を組み込んだ燃料電池において、燃料電池セル集合体の温度ムラを軽減することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell device capable of reducing temperature unevenness of a fuel cell assembly in a fuel cell incorporating a fuel cell assembly composed of densely packed cells. Can do.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
本発明の実施形態である燃料電池モジュール(固体酸化物型燃料電池装置)について、図1を参照しながら説明する。図1に示す燃料電池モジュール2は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット(図示せず)とを備える。
A fuel cell module (solid oxide fuel cell device) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A
図1においては、燃料電池モジュール2の高さ方向をy軸方向としている。このy軸に直交する平面に沿ってx軸及びz軸を定義し、燃料電池モジュール2の短手方向に沿った方向をx軸方向とし、燃料電池モジュール2の長手方向に沿った方向をz軸方向としている。図2以降において図中に記載しているx軸、y軸、及びz軸は、図1におけるx軸、y軸、及びz軸を基準としている。また、z軸の負方向に沿った方向をA方向とし、x軸の正方向に沿った方向をB方向としている。
In FIG. 1, the height direction of the
燃料電池モジュール2は、燃料電池セル(詳細は後述する)を収容するケーシング56と、ケーシング56の上部に設けられている熱交換器22とを備える。ケーシング56の内部は密封空間となっている。ケーシング56には、被改質ガス供給管60と、水供給管62とが繋げられている。一方、熱交換器22には、発電用空気導入管74と、燃焼ガス排出管82とが繋げられている。
The
被改質ガス供給管60は、ケーシング56の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管62は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管74は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気(酸化剤ガス)を供給する管路である。燃焼ガス排出管82は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。
The to-be-reformed
続いて、図2〜図4を参照しながら、燃料電池モジュール2の内部について説明する。図2は、燃料電池モジュール2をその中央近傍において図1のA方向から見た断面図である。図3は、燃料電池モジュール2をその中央近傍において図1のB方向から見た断面図である。図4は、図1に示す燃料電池モジュール2から燃料電池セル集合体を覆うケーシング56の一部を取り外した状態を示す斜視図である。
Next, the inside of the
図2〜図4に示すように、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12は、ケーシング56により、全体が覆われている。図4に示すように、燃料電池セル集合体12は、全体としてB方向よりA方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器20側の上面、燃料ガスタンク68(ガスマニホールド)側の下面、図4のA方向に沿って延びる長辺側面と、図4のB方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
本実施形態の場合、水供給管62から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器(図に明示しない)は、改質器20の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス(都市ガス)と空気とを混合するためのものである。
In the present embodiment, an evaporating mixer (not explicitly shown) for evaporating the water supplied from the
被改質ガス供給管60及び水供給管62は、ケーシング56の内部に導かれた後、共に改質器20に繋がれている。より具体的には、図3に示すように、改質器20の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
The reformed
改質器20は、燃料電池セル集合体12の上方に形成された燃焼室18の更に上方に配置されている。したがって、改質器20は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。
The
改質器20の下流端(図3の左端)には、燃料供給管66の上端が接続されている。この燃料供給管66の下端側66aは、燃料ガスタンク68内に入り込むように配置されている。
The upper end of the
図2〜図4に示すように、燃料ガスタンク68は、燃料電池セル集合体12の真下に設けられている。燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴66bが形成されている。燃料ガスタンク68の長手方向(A方向)に垂直な仕切面69cをもつ仕切板69は、燃料ガスタンク68の短手方向の両側面に面するよう折り曲げられ、固定される一対の側面固定片69fと、燃料ガスタンク68の底面に固定される底面固定片69dを備え、燃料供給管66を通すための燃料ガス供給管用貫通孔69hと、燃料ガスタンク68内部の上側領域に、燃料ガスタンク上板68aのうち、燃料ガスタンク68の短手方向の中央部分に内接する一対の中央凸片69aと、中央凸片69aに挟まれ、燃料ガスタンク上板68aと離間する中央切欠69gと、中央凸片69aの両側外方に設けられ、燃料ガスタンク上板68aと離間し、かつ燃料ガスを流通させるための周辺凹部69bと、が形成されており、すべての仕切板69は前記燃料供給管66の小穴66bと交差しない位置で配置されている。改質器20で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴66bによって燃料ガスタンク68内に仕切板69に沿った方向に噴出され、仕切板69によって区切られた燃料ガスタンク68の小部屋の中で燃料ガスタンク68の短手方向、言い換えると仕切面69cに沿って拡散し、さらに前記仕切板69の周辺凹部69bを通じて隣り合う小部屋との圧力勾配を緩和する方向に一部が流通することにより、燃料ガスタンク68内部全体に亘って均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、図12の破線矢印で示すように、燃料電池セル集合体12を構成する各燃料電池セルユニット16の内側にある燃料ガス流路(詳細は後述する)内に供給され、燃料電池セルユニット16内を上昇して、燃焼室18に至るようになっている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
続いて、図5を参照しながら燃料電池セルユニット16について説明する。図5は、本実施形態の燃料電池セルユニット16を示す部分断面図である。
Next, the
図5に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
As shown in FIG. 5, the
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。三相界面は、イオン化反応(水素のイオン化反応及び酸素のイオン化反応)が行われる場所である。三相界面は、燃料電池セル84内に形成され、内側電極層90と電極触媒と電解質層94とが互いに接している界面、及び外側電極層92と電極触媒と電解質層94とが互いに接している界面に形成される。
The
燃料電池セルユニット16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、下端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の下部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと下端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の下端面90cと直接接触することで内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
Since the
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
The
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
The
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
続いて、図6を参照しながら燃料電池セルスタック14について説明する。図6は、本発実施形態の燃料電池セルスタック14を示す斜視図である。
Next, the
図6に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100により支持されている。上支持板100は、素材として、例えばMgO(マグネシア)を用いる。これらの燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
As shown in FIG. 6, the
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と、隣接する燃料電池セルユニット16の空気極である外側電極層92の外周面と、を電気的に接続するものである。
Further, a
さらに、燃料電池セルスタック14の端に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104に接続され、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
Further, the
燃料電池セルユニット16は、燃料ガスタンク上板68a上に配置する際に、内側電極端子86と燃料ガスタンク上板68aとの間に、ブッシュ30を設ける。このブッシュ30は、燃料電池セルユニット16の内側電極端子86を燃料ガスタンク上板68aの貫通穴に挿入して固定する際に用いる部材である。つまり、ブッシュ30は、燃料電池セルユニット16をガスマニホールドに固定する部材として用いられる。
When the
図7は、燃料ガスタンク上板68a上に立設した燃料電池セルの接続部を示す部分断面図である。燃料電池セル84の下端は、固体電解質層や燃料極が露出している。燃料極は銀ロウ部96bを介して、又はこれを介さずに内側電極端子86と電気的に接続している。銀ロウ部96bの上部にはガラスシール部96aが設けられ、燃料電池セル84と内側電極端子86とを固定するとともに、内側を流れる燃料ガスが発電室に漏れないように気密している。内側電極端子86は下に凸の形状であり、突出した部分が燃料ガスタンク上板68aに設けられた貫通孔内に挿入され、ブッシュ30及びブッシュ30上に設けられたガラスシール36によって固定されている。ブッシュ30は絶縁性を有する部材でなり、燃料ガスタンク上板68と内側電極端子86との電気的な短絡を防止している。内側電極端子86とブッシュ30の下端は、燃料ガスタンク上板68aに設けられた貫通穴を越えて燃料ガスタンク上板68aの下面よりも突出して設けられている。
FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing the connection portion of the fuel cell unit erected on the fuel gas tank
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール2の内部へ供給するための構造を、図2〜図4及び図8を参照しながら説明する。図8は、図2に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図8に示すように、改質器20の上方に、熱交換器22が設けられている。熱交換器22には、複数の燃焼ガス配管70と、この燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72とが設けられている。
Next, a structure for supplying power generation air to the inside of the
熱交換器22の上面における一端側(図3における右端)には、発電用空気導入管74が取り付けられている。この発電用空気導入管74により、発電用空気流量調整ユニット(図示しない)から、発電用空気が、熱交換器22内に導入されるようになっている。
A power generation
熱交換器22の上側の他端側(図3における左端)には、図2に示すように、発電用空気流路72の出口ポート76aが一対形成されている。この出口ポート76aは、一対の連絡流路76につながっている。さらに、燃料電池モジュール2のケーシング56の幅方向(B方向:短辺側面方向)の両側の外側には、発電用空気供給路77が形成されている。
As shown in FIG. 2, a pair of
したがって、発電用空気供給路77には、発電用空気流路72の出口ポート76a及び連絡流路76から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路77は、燃料電池セル集合体12の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体12の下方側に対応する位置に、発電室10内の燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口78a,78bが形成されている。これらの吹出口78a,78bから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット16の外側に沿って、上方側に流れる。
Therefore, power generation air is supplied to the power generation
続いて、図3及び図8を参照して、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット16の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼室18内を上昇し、整流板21に至る。整流板21には、開口21aが設けられており、開口21a内に燃焼ガスが導かれる。この開口21aを通った燃焼ガスは、熱交換器22の他端側に至る。熱交換器22内には、燃焼室18で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70が設けられている。これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃焼ガス排出管82が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
Subsequently, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air will be described with reference to FIGS. 3 and 8. The combustion gas generated above the
続いて、運転中の発電室10内の温度分布の様子について説明する。燃料電池セル84は発電反応により発熱する。特に燃料電池セル集合体12の中央部は辺縁部よりも発電用空気が不足しやすいため過電圧が大きくなる場合があり、辺縁部よりも発熱が大きくなる。さらに、発電用空気が吹出口78a,78bから吹き出され各燃料電池セルユニット16の外側に沿って上方側に流れる過程で、対流熱伝達により各燃料電池セルユニット16から熱を奪うが、各燃料電池セルユニット16中央部においては燃料電池セル84と接触する発電用空気が前段での分岐と熱交換によって流量及び温度差がともに小さくなるため、各燃料電池セルユニット16中央部の燃料電池セル84が奪われる熱は各燃料電池セルユニット16辺縁部の場合よりも小さくなる。また、燃料電池セル集合体12のA方向両端ではケーシング56の側面に向かって熱が逃げていくためA方向中央部より温度が低くなる。これらの原理により、燃料電池セル集合体12はA方向、B方向ともに辺縁部から中央部に向けて高温となる温度勾配がつく。
Next, the temperature distribution in the
続いて、仕切板69による燃料電池集合体12内の温度分布緩和の様子について、図11を参照して説明する。各燃料電池セルユニット16が発電に伴って発熱すると、仕切板69のうち燃料ガスタンク上板68aに接する中央凸片69aと、燃料ガスタンク上板68aと離間する周辺凹部69bとを有する奪熱部が、燃料ガスタンク68の短手方向の中央部分から熱を奪い、周辺部分からは熱を奪わないため、燃料ガスタンク上板68a上に配列された各燃料電池セルユニット16のうち、中央部分に配列された燃料電池セルユニット16を冷却する。受熱により高温化した仕切板69の奪熱部からは、2種の経路により熱が持ち去られる。第1に、燃料供給管66から吹き出された燃料ガスが、仕切板69の奪熱部の下方から燃料電池セルユニット16下部の燃料ガス流路98に向かって流れる過程において、燃料ガスの一部が仕切板69の仕切面69cに沿って流動し対流熱伝達により熱が持ち去られる。なお、仕切板69の奪熱部の周辺凹部69bを通じて燃料ガスが燃料ガスタンク68内の小部屋間を移動することにより、仕切板69の奪熱部で受熱し高温化した燃料ガスが滞留することなく、奪熱部の高い熱交換効率が保たれる。第2に、仕切板69の奪熱部よりも低温となる燃料ガスタンク68の側面及び底面に対する仕切板69の接合面(底面固定片69d、側面固定片69f)に向かって、仕切板内部の熱伝導により仕切面69bを介して熱が持ち去られる。底面固定片69d、側面固定片69fが燃料ガスタンク68に接合された伝熱面積は、奪熱部における伝熱面積よりも大きいため、燃料ガスタンク68の短手方向の中央部分から熱を奪いやすい。これら2種の熱移動経路を仕切板の適切な断面形状で形成することにより燃料電池セル集合体12全体の温度分布が緩和される。さらには、仕切板69の奪熱部から奪った熱が側面固定片69dから逃げるまでの経路上に、燃料ガスタンク68の短手方向の中央部分以外の周辺部分、より具体的には短手方向の両端に配置された燃料電池セルユニット16を支持する燃料ガスタンク上板68aの部位に伝熱するよう接触する伝熱片69eを仕切板69が備えているため、燃料ガスタンク68の短手方向の中央部分の高温を、短手方向の周辺部分の中でも最も温度の低い両端に還元して加熱することができる。これにより、より一層中央部分と周辺部分との温度差が緩和される。
Next, how the temperature distribution in the
続いて、燃料ガスタンク68内の燃料ガスの移動の様子について、図12を参照して説明する。図12に示すように、燃料供給管66の下端に設けられたガス噴出孔から燃料ガスが噴出される。燃料供給管66内の燃料ガスの流量が大きい場合には、燃料ガス供給管66の内圧が高い状態となるため、ガス噴出孔から噴出の勢いは強く、一方燃料ガスの流量が小さい場合には、噴出の勢いは当然弱くなる。噴出された燃料ガスは、燃料ガスタンク68の底面に当たると移動方向が変えられて、仕切板69の設けられた方向に沿って流れる一方で、上昇する。特に燃料ガスが水素である場合には、その質量が極めて小さいことから、燃料ガスは瞬時に上昇する。このように、ガス噴出孔を燃料供給管66の下端に設けることで、燃料ガスを小部屋全体に拡散させることができる。このため、仕切板69により区画された空間内で、燃料ガスを均一の流量とすることができる。
Next, the movement of the fuel gas in the
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.
2:燃料電池モジュール(固体酸化物型燃料電池装置)
10:発電室
12:燃料電池セル集合体
14:燃料電池セルスタック
16:燃料電池セルユニット
18:燃焼室
20:改質器
21:整流板
21a:開口
22:熱交換器
30:ブッシュ
36:ガラスシール部
56:ケーシング
56a:ケーシング底板
60:被改質ガス供給管
62:水供給管
66:燃料供給管
66a:下端側
66b:小穴
68:燃料ガスタンク(ガスマニホールド)
68a:燃料ガスタンク上板
68b:燃料ガスタンク側板
68c:貫通孔
69:仕切板
69a:中央凸片
69b:周辺凹部
69c:仕切面
69d:底面固定片
69e:伝熱片
69f:側面固定片
69g: 中央切欠(導通孔)
69h:燃料ガス供給管用貫通孔
70:燃焼ガス配管
72:発電用空気流路
74:発電用空気導入管
76:連絡流路
76a:出口ポート
77:発電用空気供給路
78a,78b:吹出口(気流生成部)
82:燃焼ガス排出管
84:燃料電池セル
86:内側電極端子
88:燃料ガス流路
90:内側電極層
90a:下部
90b:外周面
90c:下端面
92:外側電極層
94:電解質層
96:シール材
96a:ガラスシール部
96b:銀ロウ部
98:燃料ガス流路
100:上支持板
102:集電体
104:外部端子
2: Fuel cell module (solid oxide fuel cell device)
10: Power generation chamber 12: Fuel cell assembly 14: Fuel cell stack 16: Fuel cell unit 18: Combustion chamber 20: Reformer 21: Rectifier plate 21a: Opening 22: Heat exchanger 30: Bush 36: Glass Seal portion 56: casing 56a: casing bottom plate 60: reformed gas supply pipe 62: water supply pipe 66:
68a: Fuel gas tank
69h: Fuel gas supply pipe through hole 70: Combustion gas pipe 72: Power generation air flow path 74: Power generation air introduction pipe 76:
82: Combustion gas discharge pipe 84: Fuel cell 86: Inner electrode terminal 88: Fuel gas flow path 90:
Claims (4)
行列配置した複数の燃料電池セルと、
複数の前記燃料電池セル各々に燃料ガスを供給するよう前記燃料電池セルを立設したガスマニホールドと、
を内包するケーシングを備え、
前記ガスマニホールドの内部には、
前記燃料電池セルの行列のうち、長尺方向に延在し、前記ガスマニホールドの外部から導入した前記燃料ガスを前記ガスマニホールド内部に噴出する燃料ガス供給管と、
前記ガスマニホールドの内部空間を前記長尺方向に区画するよう、前記ガスマニホールドの底面に対して垂直に配置された、仕切板が配設されており、
前記仕切板は伝熱性を有するとともに、さらに前記燃料電池セルが配列された前記ガスマニホールドの部位のうち、前記燃料電池セルの行列の短手方向中央部分から奪う熱量が短手方向中央部分以外から奪う熱量よりも多くなるよう設けられた奪熱部と、前記奪熱部から奪った熱を、前記ガスマニホールド内部に流れる前記燃料ガスとの熱交換及び、前記ガスマニホールドの前記短手方向中央部分以外への伝熱に利用して逃がす熱付与部と、を有することを特徴とする燃料電池装置。 A solid oxide fuel cell device that generates electricity using oxidant gas and fuel gas,
A plurality of fuel cells arranged in a matrix;
A gas manifold in which the fuel cells are erected to supply fuel gas to each of the plurality of fuel cells, and
Including a casing for enclosing,
Inside the gas manifold,
A fuel gas supply pipe that extends in the longitudinal direction of the matrix of the fuel cells and jets the fuel gas introduced from the outside of the gas manifold into the gas manifold;
A partition plate arranged perpendicularly to the bottom surface of the gas manifold is disposed so as to partition the internal space of the gas manifold in the longitudinal direction,
Together with the partition plate to have a heat conductivity, further wherein of portion of the gas manifold which fuel cells are arranged, except the short heat depriving direction central portion widthwise direction central portion of the matrix of the fuel cell A heat sink provided to increase the amount of heat taken from the heat sink, heat exchange between the heat taken from the heat sink and the fuel gas flowing inside the gas manifold, and the center in the short direction of the gas manifold. And a heat application part for releasing heat by utilizing heat transfer to other than the part.
前記凸形状の突出した部分が、前記燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、前記燃料電池セルの行列の短手方向中央部分に当接し、
前記凸形状の突出していない部分が、前記燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位から離間していることで前記奪熱部を構成していることを特徴とする、請求項1記載の燃料電池装置。 The partition plate has a convex shape,
The protruding portion of the convex shape is in contact with the center portion in the short direction of the matrix of the fuel cells among the portions of the gas manifold where the fuel cells are arranged,
2. The fuel according to claim 1, wherein the non-projecting portion of the convex shape constitutes the heat removal portion by being separated from a portion of the gas manifold in which the fuel cells are arranged. Battery device.
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